تصميم بصري لملحق صورة بصرية مشوهة لعدسة كاميرا سريعة لهاتف ذكي أو طائرة بدون طيار أو GoPro

الهدف هو حساب (أو ، بطريقة جديدة ، التصميم البصري) لمرفق صورة بصرية مشوهة مضغوط مع زيادة مجال الرؤية الأفقية بنسبة 33 ٪ لعدسة سريعة (F1.8) للكاميرا الرئيسية بدقة 13 ميجابكسل لهاتف ذكي أو كاميرا مصغرة مماثلة. تتمثل إحدى ميزات العمل في حساب النظام البصري وزيادة تحسين المرفق باستخدام معلمات تصميم النظام البصري (شكل الأسطح والعلامات التجارية الزجاجية والفجوات الهوائية) لعدسة الكاميرا المحددة.



يسمح هذا النهج بالنمذجة الواقعية باستخدام برامج CAD ، وطرق تتبع الأشعة غير المتناسقة من خلال النظام لتقييم التوهجات التي تشكل الوهج. بالإضافة إلى ذلك ، تسمح لك هذه الطريقة بتجنب التظليل وتقليل الانحرافات ، والتي غالبًا ما تتم مواجهتها عند استخدام الملحقات العامة ، المحسوبة بطريقة عشوائية دون مراعاة ميزات تصميم العدسة التي يتم استخدامها معها. أيضًا ، تتيح الطريقة إمكانية تصميم هيكل حامل الكاميرا بشكل صحيح ، مع مراعاة توفير الموضع المطلوب للمرفق ، حيث يتم التطابق التام بين مخارج ومدخل تلاميذ الأنظمة البصرية للعدسة والمرفق.

1 المقدمة

الملحق بصري مشوه (أو أسطواني) هو نظام بصري يتكون من عدسات أسطوانية مصممة لتحويل الصور بصريًا عن طريق تقليل الطول البؤري للعدسة. يرتبط الانخفاض في الطول البؤري بالزيادة المرغوبة في مجال الرؤية الزاوي للعدسة في اتجاه معين ، أفقي عادةً. تقوم الفوهة بتحويل مربع إلى مستطيل أو مستطيل بنسبة عرض إلى ارتفاع واحدة إلى مستطيل بنسبة عرض إلى ارتفاع مختلفة. على سبيل المثال ، لتغيير نسبة العرض إلى الارتفاع للإطار من 4: 3 إلى 16: 9.



تولد العدسات المشوهة صورة مضغوطة يتم تحويلها بعد ذلك إلى صورة بزاوية عريضة باستخدام معالجة الصور الرقمية (إزالة الضغط) ، والتي يتم تنفيذها في التطبيقات المدمجة.







بادئ ذي بدء ، عدسة بصرية مشوهة قادرة على توسيع المجال الزاوي.







إلى جانب ذلك ، يتيح لك الملحق تحويل وتجميل التصوير الذي تم إجراؤه باستخدام كاميرا الهواتف الذكية والطائرات بدون طيار وكاميرات GoPro والكاميرات الرقمية المدمجة ، مما يؤدي إلى إنشاء تأثيرات خاصة فريدة. يتم إنشاء تأثير توسيع المساحة في الإطار ، ويتغير المنظور ، وتظهر تأثيرات بصرية خاصة - وهج طويل الأمد من المصادر الساطعة. كل هذا يشكل تعبيرًا خاصًا عن الصورة المنقولة والسريالية وتقليد تأثير التصوير على عدسات احترافية باهظة الثمن وعالية الجودة غالبًا ما تستخدم في السينما الكبيرة. هذا يرجع إلى التصميم الخاص للنظام البصري للملحق.

2. الخصائص البصرية الرئيسية للارتباط صورة بصرية مشوهة

الملحق عبارة عن نظام بصري مضغوط مثبت أمام العدسة ، والذي يصبح جزءًا من النظام البصري.



تم تصميم النظام البصري للملحق بحيث يعمل المرفق في أحد الأقسام ، حيث يظهر انحناء الأسطح الأسطوانية ، كنظام تقليدي للعدسات الكروية ، وفي القسم الآخر ، بشكل متعامد معه ، كنظام من الألواح المستوية المتوازية.







تحتوي معظم المرفقات على مكونين. لضمان الاكتناز ، يتم استخدام نظام أسطواني تلسكوبي ، مبني في القسم الرئيسي وفقًا لتلسكوب جاليليو. إنه يحول الحزم المتوازية للأشعة التي تدخله إلى نفس الحزم المتوازية عند الخروج من النظام ، ولكن بزوايا مختلفة مع المحور البصري في قسمين متعامدين بشكل متبادل. من خلال تأثيره ، يؤدي المرفق إلى تغيير في الطول البؤري للعدسة المستخدمة معها في اتجاه واحد فقط ، وفي الاتجاه الآخر يعمل بدون طاقة بصرية ودون تغيير البعد البؤري. في الشكل 1 ، تم تصنيفهما على L1 و L2. من أجل الاكتناز ،

يتزامن التركيز التخيلي الأمامي F1 للمكون السلبي الأول L1 مع التركيز الخلفي F'2 من L2 الثاني.







يتم تحديد البعد البؤري للعدسة مع مرفق في القسم الرئيسي (الأفقي) من خلال الصيغة:

$$

$$f=f'_0(-f_1)/f_2 ,$$

حيث f0 هو الطول البؤري لعدسة الكاميرا ، -f1 و f2 هما الأطوال البؤرية للمكونات السلبية الأولى والثانية الموجبة للملحق صورة بصرية مشوهة. في القسم الرئيسي ، يتغير مقياس الصورة وفقًا للتكبير الظاهر للنظام التلسكوبي ، بينما يظل في القسم الآخر دون تغيير. هذا يعني أن معامل التشوه A للمرفق يساوي نسبة القيم المطلقة للأطوال البؤرية لمكونات المرفق:

$$

$$A=f_1/f_2$$

المسافة d بين مكونات المرفق تساوي الفرق بين القيم المطلقة للأطوال البؤرية للمكونات:

$$

$$d=f_2-f_1$$

3. المراحل الرئيسية لتصميم النظام البصري

عادةً ما يتكون تطوير النظام البصري لجهاز ، مثل الملحق البؤري ، من الخطوات الرئيسية التالية:

• تحديد الخصائص البصرية الرئيسية وقيود الأبعاد (إعداد المواصفات الفنية) ؛
• حساب الأبعاد والطاقة الضوئية ؛
• حساب الانحراف أو البحث عن أقرب نموذج أولي ؛
• تحسين النظام البصري باستخدام برنامج بصري (CodeV ، استوديو Zemax Optics) ؛
• تحليل الجودة ، حساب التفاوتات لانحرافات معايير التصميم ؛

عادة ما يمر التطوير الإضافي بالمراحل التالية:

• (optomechanical design) ( );
• .
• , . 2.
• v.2. , .. . ( , ..).
• image processing ().
• . .
• .
• .

لتقدير الوقت المستغرق في دورة حياة تطوير مثل هذا الجهاز ، نشرت الشبكة جدولًا زمنيًا لإحدى الشركات الناشئة ، والذي تمت مناقشته في كيك ستارتر.

4. حساب النظام البصري للمرفق صورة بصرية مشوهة

دعونا نتناول المزيد من التفاصيل في الجزء الأول المخصص للتصميم البصري.

حساب الأبعاد

تتمثل إحدى النقاط المهمة في المرحلة الأولى من التصميم البصري في توفر معلمات التصميم للهدف الرئيسي ، والتي يتم من أجلها حساب ارتباط الصورة المشوهة. غالبًا ما يمكن استخدام براءة اختراع تم العثور عليها باسم شركة كنقطة انطلاق.

كنظام بصري أولي ، أخذنا نظامًا يعتمد على عدسة F1.8 سريعة للكاميرا الأمامية بدقة 13 ميجابكسل للهاتف الذكي ، ويرد أدناه المخطط البصري ومعلمات التصميم.







علاوة على ذلك ، تم نقل البيانات الأولية حول المعلمات الهندسية الرئيسية ومعلمات تصميم النظام إلى برنامج Zemax Optics Studio ، ونتيجة لذلك ، تم الحصول على النظام:







لاحظ أن العدسات الموضوعية مصنوعة من البلاستيك ولها شكل سطح شبه كروي معقد ، يمثل شبه كروي عالي المستوى ، موصوف بواسطة معادلة شبه كروية مشوهة من الدرجة الثانية باستخدام معاملات التشوه عند درجات متساوية من الإحداثيات الشعاعية على السطح:







الخصائص البصرية الرئيسية للكاميرا نفسها لها القيم التالية:

1. البعد البؤري لعدسة كاميرا الهاتف الذكي f'0 = 4.1 ملم.
2. ثقب نسبي: $$$D: f’0=1:1. 8$ .
3. قطر مدخل التلميذ هو $$$D=2.28$ ملم.
4. موضع تلميذ المدخل: يتم محاذاة حدقة مدخل الهدف مع فتحة الحجاب الحاجز المثبتة على ماسورة العدسة الشيئية الأولى $$$S_P = 0$ .
5. :$$$2W_{\text{H1}}* 2 W_{\text{V1}}=59.8{}^{\circ} * 46.2 {}^{\circ}$
6. 71.2°.
7. Diag=5. 867mm, (aspect ratio): 4:3.
8. 13MP. : 1.12 um.

دعونا نأخذ قيمة معامل تشوه الصورة من المرفق البؤري A = 0.67. تحدد نسبة التشوه نسبة الضغط الأفقي للإحداثيات في الصورة. أولئك. في حالتنا ، يتم ضغط الإحداثيات الأفقية بنسبة 33٪.



دعونا نحدد القيم التالية للأطوال البؤرية لمكونات المرفق f1 = -13.4 مم (عدسة سالبة) ، f2 = -f1 / A = 13.4 مم / 0.67 = 20 مم (عدسة موجبة) ، المسافة بين مكونات المرفق تساوي مجموع الأطوال البؤرية للمكونات: d = f2 + f1 = 20 مم + (-13.4) ملم = 6.6 ملم. نتيجة لذلك ، لن يتغير الطول البؤري لنظام [العدسة] + [المرفق] في قسم واحد (رأسي) وسيكون مساويًا للبعد البؤري للعدسة 4.1 مم ، وفي القسم الأفقي سينخفض ​​الطول البؤري ويصبح مساويًا لـ:



$$$f = 4.1 *(13.4 )/(20 ) = 2.665 .$

يزداد مجال رؤية العدسة التي تحتوي على مرفق في المستوى الأفقي ويتم حسابه بواسطة الصيغة:

$$

$$tg(W_{\text{H2}})=tg(W_{\text{H1}})/A$$

،

حيث A هو معامل تشوه العدسة.

كنتيجة ل:

$$

$$W_{\text{H2}}=arctg(tg(59.8°/2)/0.67) = 40.62°$$

يزداد مجال رؤية عدسة كاميرا الهاتف الذكي مع ملحق إلى القيم:

$$

$$2W_{\text{H2}}* 2 W_{\text{V2}} = 2W_{\text{H2}} * 2 W_{\text{V1}} = 81.24{}^{\circ} * 46.2 {}^{\circ}$$

بعد ذلك ، يتم إجراء حساب الانحراف وتحسين النظام البصري المكون من عنصرين.



والنتيجة هي نظام بصري يتكون من مكونين أسطوانيين تم لصقهما بعدسة مزدوجة.











الخصائص الرئيسية للفوهة:

1. منظور: $$$2W_{\text{H2}}* 2 W_{\text{V2}} = 2W_{\text{H2}} * 2 W_{\text{V1}} = 81.24{}^{\circ} * 46.2 {}^{\circ}$
2. زاوية الرؤية القطرية: 87.53 درجة.
3. نسبة العرض إلى الارتفاع: 16: 9.
4. تكبير الزاوية: $$$Γ= A =(-f_1)/f_2=0.67$...
5. طول النظام على طول المحور البصري: L = 14 مم
6. فجوة الهواء بين المكونات: د = 7 مم
7. حجم فتحة المكون الأول: 16 مم × 12 مم
8. سمك المكون الأول: 4 مم
9. سمك المكون الثاني: 3 مم

5. الخلاصة

تم اقتراح طريقة لحساب الارتباط البؤري بصورة مشوهة بعدسة الكاميرا المدمجة. يتكون الملحق من مكونين أسطوانيين مزدوجي العدسة ملتصقين معًا. لضمان الاكتناز ، يتم استخدام نظام أسطواني تلسكوبي ، مبني في القسم الرئيسي وفقًا لتلسكوب غاليليو. المكون الأمامي للنظام هو تركيز قصير ، وله قوة بصرية سالبة ، والمكون الثاني له قوة موجبة. في هذه الحالة ، يتزامن التركيز التخيلي الأمامي للمكون الأول مع التركيز الخلفي للمكون الثاني. يوجد تلميذ الخروج من النظام خلف الملحق ويتماشى مع تلميذ مدخل عدسة الكاميرا المدمجة. لا يتجاوز طول النظام الحد الأقصى للأبعاد العرضية للمكون الأول. لا يتجاوز سمك الزجاج لعدسات المكونات الأمامية المستعبدة 30٪ من إجمالي طول النظام. وفقا للمؤلف،يضمن هذا الأسلوب مطابقة دقيقة لحدائق النظام والحصول على جودة صورة عالية مع تقليل حجم ووزن الفوهة.